鉛電解陽極熔鉛鍋吸塵罩的設(shè)計與應(yīng)用

袁培新

(湖南水口山有色金屬集團(tuán)有限公司， 湖南 衡陽 421513)

鉛電解陽極熔鉛鍋吸塵罩的設(shè)計與應(yīng)用

袁培新

(湖南水口山有色金屬集團(tuán)有限公司， 湖南 衡陽 421513)

水口山三廠擬對鉛電解陽極熔鍋鉛煙塵進(jìn)行治理，采用計算及fluent軟件模擬流場相結(jié)合的方法，對吸塵罩進(jìn)行設(shè)計，最終確定出吹吸式吸塵罩的主要尺寸與合理的吸風(fēng)口風(fēng)量、吸風(fēng)口角度、送風(fēng)風(fēng)量和送風(fēng)角度等工藝參數(shù)。

熔鉛鍋；鉛煙塵；吸塵罩；數(shù)值模擬

湖南水口山有色金屬有限責(zé)任公司第三冶煉廠(簡稱水口山三廠)鉛電解陽極生產(chǎn)車間現(xiàn)有四口熔鉛鍋，日均生產(chǎn)鉛陽極板約400 t，粗鉛在熔鉛鍋中熔化、壓渣、撈渣、加殘極續(xù)鍋、降溫熔析、加煤粉除銅等過程中產(chǎn)生大量的含鉛蒸汽。原熔鉛鍋的排煙氣系統(tǒng)配套建設(shè)了一套側(cè)吸罩+反吹風(fēng)布袋除塵系統(tǒng)，由于煙氣中含有大量的霧沫，該套設(shè)施的布袋表面經(jīng)常粘附煙塵引起布袋板結(jié)，布袋除塵器無法正常工作，車間低空污染嚴(yán)重。

為了有效治理鉛煙塵，水口山三廠聯(lián)合五礦環(huán)保公司擬開發(fā)一種多級噴霧塔裝置來高效處理水口山三廠鉛電解陽極熔鉛鍋鉛煙塵的濕法除塵工藝，但由于吸塵罩受車間場地、生產(chǎn)操作及加殘極時產(chǎn)生的爆發(fā)性煙氣難以收集等的約束，設(shè)計工作較為困難，通過充分考慮車間場地和生產(chǎn)操作的因素，選取最合適的吸塵罩結(jié)構(gòu)，并借助于fluent軟件模擬，以確定最佳尺寸和參數(shù)。

1 吸塵罩的選擇

吸塵罩是系統(tǒng)中捕集發(fā)塵源所產(chǎn)生的煙塵的設(shè)備。本系統(tǒng)生產(chǎn)工藝為采用熔鉛鍋將粗鉛及電解后的殘極片進(jìn)行熔化，供電解工藝陽極板鑄型用，熔鉛鍋的直徑為3 m左右，鉛液溫度大概為550 ℃，生產(chǎn)過程中，液面會產(chǎn)生浮渣，需要經(jīng)常進(jìn)行攪拌、撈渣，上述操作一般均由行車配合攪拌機(jī)或撈渣裝置在熔鉛鍋上部進(jìn)行，所以吸塵罩的選用與設(shè)計必須考慮熔鉛鍋的操作特點。

現(xiàn)吸塵罩的形式主要有密閉式吸塵罩及敞開式吸塵罩兩大類，密閉式吸塵罩是利用吸塵罩將塵源籠罩起來，隔斷了塵源與外界氣流，借助引風(fēng)機(jī)在罩內(nèi)形成負(fù)壓，煙塵通過吸塵罩進(jìn)入除塵器，過程無逃逸，吸入的外界氣流少，總煙氣量少，缺點是收塵過程中不能進(jìn)行敞開操作。

敞口吸塵罩主要有單吸氣式、吹吸式吸塵罩等。單吸氣式吸塵罩只有一個敞開的罩子，當(dāng)吸氣口吸氣時，在吸氣口附近形成負(fù)壓，周轉(zhuǎn)空氣從四面八方流向吸氣口，形成吸入氣流，根據(jù)流體力學(xué)，位于自由空間的“點匯”吸氣口吸氣量為[1]：

(1)

式中Q—氣體流量，m3/s；v1、v2—球面1和球面2上的氣流速度，m/s；

r1、r2—球面1和球面2上的半徑，m。

v1/v2=(r2/r1)2

(2)

由公式(2)可見，“點匯”外某一點的流速與該點至吸氣口距離的平方成反比。由此可見吸塵罩口速度衰減很快，所以設(shè)計吸塵罩時，從提高捕集效率考慮，罩口應(yīng)盡量靠近污染源。

吹吸式吸塵罩是在塵源的正對兩側(cè)分別設(shè)吹氣口和吸氣口，吹氣流與吸氣流產(chǎn)生的聯(lián)合氣幕包裹塵源氣流，全部的塵源氣流、大部分的吹氣流和少量的周圍空氣被吸氣口吸入形成吸氣氣流，以煙氣的形式通過煙道進(jìn)入除塵器。吹氣氣流形成的氣幕作用距離較長，而吸氣氣流速度衰減很快，所以與單吸式吸塵罩相比，達(dá)到同樣的捕集效果，吹吸式吸塵罩需要的風(fēng)量小，因而除塵器處理的煙氣量少，除塵效率高。因此在環(huán)境工程中得以廣泛應(yīng)用[1]。

當(dāng)污染氣體量為確定值時，隨著吹吸式吸塵罩的吹風(fēng)量的增加，吸風(fēng)量會相應(yīng)減少，但當(dāng)吹風(fēng)量超過一定值后，隨著吹風(fēng)量的增加，吸風(fēng)量反而增加，這是因為吹風(fēng)量過大會吹散塵源氣流，為了能收集塵源氣流就必須加大吸氣氣流，可見吹氣流存在一個臨界值。所以在吹吸式吸塵罩的設(shè)計過程中，尋找合適的吹風(fēng)角度和臨界送風(fēng)量，可有效降低成本。

綜上所述，密閉式吸塵罩對塵源的工藝操作有要求，單吸式吸塵罩吸風(fēng)量太大，不適合捕集爆發(fā)性煙氣，所以都不適用于本系統(tǒng)，而吹吸式吸塵罩不受工藝操作影響并且所需吸氣量及吹氣量均較小，故本系統(tǒng)選用吹吸式吸塵罩。

2 吸塵罩的設(shè)計

由于吹吸氣流的運動情況較為復(fù)雜，現(xiàn)還缺乏統(tǒng)一的計算方法，所以采用計算及fluent軟件模擬吹吸式吸塵罩氣流流場相結(jié)合的方法，對該吸塵罩進(jìn)行設(shè)計，從而最終確定出吹吸式吸塵罩的主要尺寸與合理的吸風(fēng)口風(fēng)量、吸風(fēng)口角度、送風(fēng)風(fēng)量和送風(fēng)角度等工藝參數(shù)。

2.1 模型的建立

2.2.1物理模型

由于生產(chǎn)過程中的加粗鉛、加殘極、攪拌、撈渣和舀鉛水等都需要行車吊裝并進(jìn)行垂直操作，同時，攪拌和撈渣操作需要熔鉛鍋口有足夠的空間，所以吹風(fēng)口要與熔鉛鍋有一定的距離和高度，吸塵罩口距熔鉛鍋要有一定的距離，并有足夠的高度。

根據(jù)車間場地和操作要求設(shè)計的主要物理尺寸有，熔鉛鍋直徑3000 mm，吹風(fēng)口3320 mm×150 mm，吹風(fēng)口距離熔鉛鍋邊線600 mm，吹風(fēng)口高度為587 mm，吸塵罩口為3300 mm×1445 mm和3300 mm×800 mm矩形拼接，排風(fēng)罩與排風(fēng)管道銜接口為1900 mm×700 mm，吸塵罩口底邊距離熔鉛鍋邊線95 mm，送風(fēng)與水平方向的夾角為α，吸塵罩的水平傾斜角β取向下傾斜15°，具體如圖1所示。

圖1 吸塵罩模型

2.2.2邊界條件

(1)排風(fēng)罩與排風(fēng)管道接口設(shè)為速度出口；

(2)熔鉛鍋液面內(nèi)圈(熔鉛鍋液面中心Φ2000 mm圓區(qū)域)、熔鉛鍋液面外圈(外圓環(huán)區(qū)域)和吹風(fēng)口設(shè)為速度入口；

(3)操作臺面設(shè)為無滑移壁面邊界；

u=v=w=0

(3)

(4)

(4)其余面由于該界面上壓力為近大氣壓而速度未知，故選壓力出口。

2.2.3初始條件

由于生產(chǎn)過程各工況中，加殘極續(xù)鍋產(chǎn)生爆發(fā)性煙氣，所以產(chǎn)生的煙氣量最大，煙氣流速最快，收集難度最大，所以初始條件取加殘極工況，具體數(shù)據(jù)如下：

(1)入口

熔鉛鍋液面內(nèi)圈處(熔鉛鍋液面中心Φ2000 mm圓區(qū)域)，為加殘極時的爆發(fā)性煙氣，根據(jù)現(xiàn)場所測速度為3～5 m/s，本文取5 m/s；熔鉛鍋口外圓環(huán)區(qū)域為熔鉛蒸氣，根據(jù)現(xiàn)場所測速度為0.2～0.4 m/s最高可達(dá)0.7 m/s，本文取0.7 m/s；送風(fēng)口風(fēng)速設(shè)為v1。

(2)出口

排風(fēng)口速度為15 m/s。(由于加殘極時熔鉛鍋液面中心Φ2000 mm圓區(qū)域產(chǎn)生爆發(fā)性煙氣，煙氣流速為3～5 m/s，周邊圓環(huán)區(qū)域產(chǎn)生熔鉛煙氣，煙氣流速為0.2～0.4 m/s，所以加殘極時產(chǎn)生的鉛煙氣約50000 m3/h，考慮到排放口所吸煙氣由全部的熔鉛鍋鉛煙塵、大部分的送風(fēng)和少量的周邊空氣組成，故設(shè)計取排風(fēng)量70000 m3/h進(jìn)行估算，可確定排風(fēng)口速度為15 m/s。)

2.2 數(shù)值計算

2.2.1基本假設(shè)

(1)通風(fēng)氣流及鉛煙視為不可壓縮理想空氣處理，忽略溫度變化對煙氣密度以及速度的影響；

(2)鉛煙運動方式不考慮熱泳力的影響。

2.2.2計算方法

借助于Fluent軟件模擬，采用連續(xù)性方程、N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)K-E湍流模型來描述，用非耦合隱式求解器進(jìn)行求解。

取排風(fēng)風(fēng)速為15 m/s不變，吹風(fēng)角度α取0°的前提下，分別對送風(fēng)速度v1為10 m/s、13 m/s、15 m/s、17 m/s和19 m/s進(jìn)行模擬，得出該條件下的合理送風(fēng)風(fēng)速。

取排風(fēng)風(fēng)速為15 m/s，送風(fēng)角度α分別為向下傾斜10°、向下傾斜5°、0°、向上5°和向上10°進(jìn)行模擬，比較臨界送風(fēng)風(fēng)速，得出最佳送風(fēng)角度α值。

2.3 模擬結(jié)果與討論

(1)送風(fēng)風(fēng)速v1的確定

取排風(fēng)風(fēng)速為15 m/s不變，吹風(fēng)角度α取0°的前提下，分別對送風(fēng)速度v1為10 m/s、13 m/s、15 m/s、17 m/s和19 m/s進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)送風(fēng)風(fēng)速從高到低，所形成的射流氣幕風(fēng)速也在減少，當(dāng)降到15 m/s時，射流軌跡開始出現(xiàn)彎曲傾向如圖2所示，當(dāng)送風(fēng)風(fēng)速降至13 m/s時，已基本不能形成完整的射流氣幕，鉛煙氣出現(xiàn)逃逸，可見該條件下送風(fēng)風(fēng)速v1為15 m/s時，接近臨界送風(fēng)風(fēng)速。

圖2 送風(fēng)風(fēng)速為15 m/s時流場速度矢量分布圖

(2)送風(fēng)角度的確定

圖3 塵源煙塵流線速度場分布圖

取排風(fēng)風(fēng)速為15 m/s，送風(fēng)角度α分別為向下傾斜10°、向下傾斜5°、0°、向上5°和向上10°進(jìn)行模擬。當(dāng)α為向下傾斜10°時，排風(fēng)口的吸風(fēng)氣流和送風(fēng)口的吹風(fēng)氣流無法形成完整的氣幕包裹鉛煙氣，鉛煙氣有逃逸；當(dāng)α為向下傾斜5°時，此時送風(fēng)口的臨界送風(fēng)風(fēng)速為14.45 m/s，鉛煙塵流線軌跡如圖3，鉛煙氣不但完全被捕集，且流線軌跡彎曲明顯；當(dāng)α為0°時，此時送風(fēng)口的臨界送風(fēng)風(fēng)速為14.83 m/s；當(dāng)α為向上傾斜5°時，此時送風(fēng)口的臨界送風(fēng)風(fēng)速為16.15 m/s；當(dāng)α為向上傾斜10°時，此時送風(fēng)口的臨界送風(fēng)風(fēng)速為18.20 m/s。可見，當(dāng)α為向下傾斜5°到向上傾斜5°較為合適，由于α為向下傾斜5°時，送風(fēng)風(fēng)量最小，本設(shè)計將α定為向下傾斜5°。

(3)主要工藝參數(shù)

通過Fluent軟件對吹吸式吸塵罩氣流流場的模擬結(jié)果，得出既能很好避免生產(chǎn)過程中鉛煙塵的逃逸，又能不影響生產(chǎn)操作的最優(yōu)吹吸式吸塵罩的主要工藝參數(shù)見表1。

實際生產(chǎn)過程中由于系統(tǒng)要對四口熔鉛鍋做功，所以系統(tǒng)設(shè)計了兩臺風(fēng)機(jī)，1#風(fēng)機(jī)100000 m3/h風(fēng)量，2#風(fēng)機(jī)50000 m3/h風(fēng)量，可以分別對四口熔鉛鍋切換使用。當(dāng)生產(chǎn)處于低煙氣量的熔鉛階段時，只開啟2#小風(fēng)機(jī)做功，當(dāng)向某口熔鉛鍋加殘極續(xù)鍋時，可開啟1#風(fēng)機(jī)單獨對該熔鉛鍋做功，此時若有其他熔鉛鍋存在攪拌或撈渣等其他操作時，可同時切換到1#風(fēng)機(jī)，此時1#風(fēng)機(jī)同時對兩口熔鉛鍋做功，過程中確保加殘極熔鉛鍋抽風(fēng)風(fēng)量大于71640 m3/h。實踐證明，該靈活多變的切換使用方式，不但可以有效地收集鉛煙氣，同時可以減少用電量，降低生產(chǎn)成本。

表1 吸塵罩主要參數(shù)

3 結(jié)論

(1)陽極熔鉛鍋加殘極時產(chǎn)生的爆發(fā)性煙氣，不但煙氣量大，而且煙氣流速快，收集難度大，吹吸式吸塵罩不但不受工藝操作影響并且所需吸氣量及吹氣量均較小，故本系統(tǒng)選用吹吸式吸塵罩。

(2)根據(jù)車間生產(chǎn)場地和生產(chǎn)操作要求，設(shè)計出吸塵罩基本尺寸，并取吸塵罩排氣口與水平方向的夾角β為向下傾斜15°；根據(jù)加殘極時煙氣量的計算值最大約50000 m3/h，模擬取排風(fēng)口風(fēng)速為15 m/s；借助Fluent軟件模擬得出送風(fēng)角α為向下傾斜5°時臨界送風(fēng)速最小，且臨界送風(fēng)風(fēng)速在15 m/s左右，所以吸塵罩設(shè)計取送風(fēng)角α為向下傾斜5°，送風(fēng)風(fēng)速為15 m/s。

(3)生產(chǎn)過程中，由于系統(tǒng)要同時對四口熔鉛鍋做功，系統(tǒng)的兩臺引風(fēng)機(jī)，1#風(fēng)機(jī)100000 m3/h風(fēng)量，2#風(fēng)機(jī)50000 m3/h風(fēng)量，根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行切換，過程中確保加殘極的熔鉛鍋送風(fēng)量在27000 m3/h，排風(fēng)量大于71640 m3/h，即可滿足生產(chǎn)要求。

[1] 張殿印，王純.除塵工程設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

DesignandApplicationofDustHoodinLeadElectrolyticAnodeMeltingPot

YUAN Pei-xin
(Hunan Shuikoushan Nonferrous Metals Group Co., Ltd. Hengyang 421513, China)

The 3rd factory of Shuikoushan Nonferrous Metals Group Co., Ltd. plans to control the lead dust from lead electrolytic anode melting pot. The paper designs the dust hood, uses methods of calculation and fluent software in flow field simulation, and determines the main dimensions and reasonable air flow and angle of suction mouth, air flow and angle of air outlet of blowing and absorbing dust hood in the end.

lead anode pot； lead dust； dust hood； numerical simulation

2014-08-16

袁培新(1973-)，男，湖南婁底人，高級工程師，碩士研究生，主要從事有色金屬冶煉生產(chǎn)工藝和設(shè)備管理。

TU834

B

1003-8884(2014)06-0033-04